Разработка и исследование малогабаритных водогрейных котлов для систем автономного теплоснабжения

В «Основных направлениях энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года», утвержденных указом Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 г. № 472 [1] и Федеральном Законе «Об энергосбережении», подписанном Президентом России 3 апреля 1996 г. № 28-ФЗ [2], указывается, что энергетическая политика Российской Федерации исходит, кроме всего прочего, из следующих приоритетов и структурных изменений: повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создание необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развитияреализация потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливои энергопотребляющего оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкцийсоздание и организацию серийного производства установок малой энергетикистимулирование производства и использования топливои энергопотребляющего оборудования.

Резко возросший в последние годы в нашей стране интерес к малогабаритным водогрейным котлам в системах автономного теплоснабжения объясняется прежде всего неудовлетворительным качеством централизованного теплоснабжения при явной тенденции к повышению стоимости отпускаемой теплоты. При общем годовом расходе условного топлива на нужды теплоснабжения в России и странах СНГ примерно 700 млн. т. сверхнормативные непроизводительные потери составляют 150 млн. т. [68]. В результате реализации концепции централизованного теплоснабжения городов от городских и районных котельных теплоноситель поступает в системы отопления и горячего водоснабжения от котельных, значительно удаленных от потребителей (нередко на десятки километров), в большинстве случаев по подземным теплотрассам. При этом потери в грунт составляют более 50% производимой теплоты [47].

За рубежом наряду с системами централизованного теплоснабжения широкое применение имеют системы автономного теплоснабжения на основе высокоэффективных автоматизированных теплогенераторов, обеспечивающих меньший расход топлива (на 10−30%), снижение металлоемкости в 2−5 раз, значительное сокращение сроков строительства, чем при централизованном теплоснабжении от котельных.

Применяемые в системах децентрализованного теплоснабжения теплогенераторы в исполнении зарубежных фирм представляют собой функционально законченные газовые водогрейные аппараты, которые могут использоваться как в составе котельной для теплоснабжения группы потребителей, так и для децентрализованного теплоснабжения с установкой непосредственно на крыше или в чердачном помещении здания. Возможна установка модулей в подвальном помещении, пристройке к зданию или на техническом этаже.

По мнению директора ВНИИГСа, доктора технических наук Чистови-ча С.А., в нашей стране для условий раздельного производства тепловой и электрической энергии значительно более широкое применение должны получить системы децентрализованного теплоснабжения от местных (домовых) котельных, главным образом с использованием газовых модулей с единичной тепловой мощностью от 0.1 до 4−5 МВт. Эффективное решение задачи отопления и горячего водоснабжения малоквартирных зданий усадебной застройки может быть достигнуто применением автономных двух-функциональных теплогенераторов на газовом, жидком и твердом топливе мощностью до 30−40 кВт [68].

Внедрение систем децентрализованного теплоснабжения: не требует дефицитных труб, теплоизоляционных и строительных материалов, т. е. не сокращает программу строительства и реконструкции традиционных систем теплоснабжения, а дополняет ввод мощностей по источникам теплоты прежде всего за счет производства на предприятиях, ранее не работавших для нужд жилищно-коммунального хозяйстваисключает отвод земельных площадей под сооружение котельных, ТЭЦ, тепловых сетей, что должно учитываться в экономических расчетахне только обеспечивает собственно экономию топлива за счет высокого КПД и автоматизации отпуска теплоты, но и благодаря организованному учету расхода теплоты (топлива) дает возможность внедрения действенного хозяйственного механизма управления энергосбережениемтребует более квалифицированного обслуживания, но в тоже время создает предпосылки для внедрения новых, более совершенных организационных форм в жилищно-коммунальном хозяйстве (арендный подряд, сервисное обслуживание и пр.), что особенно актуально в условиях приватизациидает возможность существенного снижения затрат на внутридомовые системы отопления за счет перехода на трубы меньшего диаметра, применения неметаллических материалов, пофасадно разделенных систем и т. п.- расширяет масштабы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, ограниченного трудностями совмещения с системами централизованного теплоснабжения [31].

Естественно, что такие системы на данном этапе не могут и не должны полностью решить проблему растущих тепловых нагрузок, однако их применение может весьма экономично дополнять развитие существующих централизованных систем.

В настоящее время в населенных пунктах России применение малогабаритных водогрейных котлов в системах автономного теплоснабжения ограничено прежде всего из-за недостатка технически совершенных источников тепла. Техническое исполнение отечественных автономных теплоагрега-тов (особенно в сравнении с зарубежными) низкое. Отставание отечественных разработок и серийного производства высокоэффективных малогабаритных водогрейных котлов определяется не только преобладавшей ранее тенденцией централизации и монополизацией в производстве теплоты, но и отсутствием качественного комплектующего оборудования.

Проанализируем возможные пути выхода из создавшегося положения. Первый, самый простой путь — закупать оборудование за рубежом. Однако, крайне высокая стоимость импортного оборудования делает это маловероятным. Например, при цене теплового центра мощностью 50 кВт фирмы «Стеамратор» (Финляндия) 23 тыс. долл. США с учетом транспортных расходов, таможенного сбора и налога на импортную продукцию покупатель должен будет заплатить за него более 28 тыс. долл., поскольку фирма берет на себя выполнение проекта системы отопления и горячего водоснабжения (в привязке к дому), монтаж и наладку оборудования, причем обязательным условием является применение только импортного оборудования [47].

Другой наиболее реальный путь — продолжать работы по совершенствованию аналогичного оборудования отечественного производства.

Таким образом, учитывая важность проблемы в целом, и то, что работа по созданию теплогенераторов систем автономного теплоснабжения является актуальной и соответствующей современным тенденциям, была поставлена задача провести теоретические и экспериментальные исследования с последующим внедрением новой конструкции высокоэффективного малогабаритного водогрейного котла.

Цель работы: разработка, исследование и внедрение новых малогабаритных теплогенераторов типа КВ, предназначенных для современных локальных систем отопления зданий и сооружений.

Программа исследований была выполнена в 3 этапа.

1. Разработана новая конструкция водогрейного котла для систем автономного теплоснабжения типа КВа-0.25Гн (котел водогрейный, автоматизированный, газовый).

2. Второй этап состоял в математическом моделировании процессов тепломассообмена в изучаемом теплогенераторе. В результате численных экспериментов установлены основные режимные параметры, положительно влияющие на тепловую эффективность аппарата и его производительность. Даны практические рекомендации по интенсификации процессов теплообмена и компоновке поверхностей нагрева.

3. Третий этап включал проведение натурных испытаний котла КВа-0.25Гн и его модификации КВа-О.бЗГн на соответствие ГОСТов и Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0.07 МПа, водогрейных котлов и водонагревателей с температурой нагрева воды на выходе не выше 388 К. В результате испытаний находились следующие параметры: теплопроизводительность, коэффициент полезного действия, температура продуктов сгорания на выходе из котла, максимальная температура нагреваемой воды. Для указанных котлов определены расход топлива и количество нагреваемой воды. Проводился также анализ продуктов сгорания и найдено содержание оксида углерода и оксидов азота в сухих уходящих газах.

Котлы КВа-0.25Гн и КВа-О.бЗГн разработаны в ГП «Спецстройремонтгрест» (г. Ставрополь) и внедрены в производство.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден выбор новой конструкции малогабаритного водогрейного котла типа КВа-0.25Гн для систем автономного теплоснабжения.

2. Разработаны алгоритмы и вычислительные программы для оценки выходных характеристик работы котла при изменении входных режимных параметров.

3. На основе предложенных расчетных схем выполнен параметрический анализ тепломассообмена и установлено влияние определяющих параметров тепловых процессов на эксплуатационные характеристики теплогенератора.

4. В результате натурных испытаний котлов КВа-0.25Гн и КВа-О.бЗГн получены результаты, подтверждающие эффективность их работы.

Диссертационная работа состоит из четырех глав, выводов и приложений. Коротко ее содержание сводится к следующему.

В главе I проведен краткий обзор работ в области водогрейных котлов, применяемых в системах автономного теплоснабжения. Анализируется современное состояние вопроса, на основании чего определены цели и задачи исследования.

В главе II содержится описание конструкции котла КВа-0.25Гн и особенностей его работы.

8 ВЫВОДЫ.

1. Обзор отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы показал, что одним из перспективных направлений в решении задачи повышения экономичности использования топливно-энергетических ресурсов является применение высокоэффективных автоматизированных малогабаритных теплогенераторов в системах автономного теплоснабжения. Рассмотрение выполненных работ показывает, что, несмотря на несомненные успехи в производстве водогрейных котлов в системах автономного теплоснабжения за рубежом, создание и внедрение таких котлов в России находятся, по существу, в начальной стадии.

2. На основании теоретических исследований разработана и внедрена в производство новая конструкция малогабаритного водогрейного котла с интенсифицированным теплообменом для индивидуальных систем теплоснабжения. Это котлоагрегат КВа-0,25Гн и его модификация — котел КВа-0,63Гн.

3. Проведено математическое моделирование процессов теплообмена для котла КВа-0,25Гн. В результате численных экспериментов установлены основные режимные параметры, положительно влияющие на тепловую эффективность аппарата и его производительность.

4. Приемочные испытания котла КВа-0,25Гн и сертификационные котла КВа-0,63Гн показали, что эти котлы соответствуют требованиям ГОСТа 10 617−83, ГОСТа 21 204−83, ГОСТа Р 50 591−93, а также «Правилам устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), водогрейных котлов и водоподогревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115°С)» .

5. Осуществлено внедрение разработанных котлов КВа-0,25Гн и КВа-0,63Гн в:

МП «Теплосеть» г. Ставрополя,.

МП «Теплосеть» г. Изобильного Ставропольского края, МП Труновского МП ЖКХ с. Донского Ставропольского края, Агростроительном предприятии «Благодарненское» г. Благодарного Ставропольского края, ТОО «Цемент» г. Ставрополя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Котел стальной водогрейный КВа-0,63Гн ТУ 4931−003−502 377−97,) производства ГП «СПЕЦСТРОЙРЕМТРЕСТ», г. Ставрополь с горелкой блочной газовой БГ-Ф-0,85П при работе на природном газе низкого давления соответствует требованиям ГОСТ 10 617–83, ГОСТ 21 204–83 и «Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), водогрейных котлов и водонагревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115°С)» .

Таким образом, приемочные испытания котла КВа-0,25Гн и сертификационные котла КВа-0,63Гн показали, что эти котлы соответствуют требованиям ГОСТа 10 617−83 «Котлы отопительные теплопроизводитель-ностъю от 0,10 до 3,15 МВт. Общие технические условия», ГОСТа 2 120 483 «Горелки газовые промышленные. Классификация. Общие технические требования, маркировка и хранение», ГОСТа Р 50 591−93 «Агрегаты тепловые газопотребляющие. Горелки газовые промышленные. Предельные нормы концентрации Ж) х в продуктах сгорания», а также «Правилам устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), водогрейных котлов и водоподогревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115°С)» .

Акты о внедрении разработанных котлов стальных водогрейных автоматизированных типа КВа-Гн: КВа-0,25Гн и КВа-0,63Гн — представлены в приложении.